電動汽車鋰離子電池組風冷散熱仿真分析

葛子敬，臧孟炎，葉 鵬，謝金紅

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510640)

鋰離子電池組因其能量密度大、平均輸出電壓高、自放電率低等優(yōu)點廣泛應用于電動汽車領(lǐng)域。但是，電池組充放電過程中的大電流、電池組緊密的空間結(jié)構(gòu)以及惡劣的工作環(huán)境容易造成電池組溫升太高和溫度分布不均勻，嚴重時影響電池組的性能與壽命。因此，對電池組進行散熱和溫度控制是保證電池性能的關(guān)鍵［1－2］。強制風冷散熱系統(tǒng)［3］因其結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、成本低、能夠有效排除有害氣體、基本可以滿足電池組散熱要求等優(yōu)點廣泛應用于電池組散熱系統(tǒng)。李騰等［4］詳細分析了鋰離子電池熱模型的研究進展，為設計鋰離子電池單體、模塊及熱管理系統(tǒng)提供依據(jù)。李哲等［5］著重研究了磷酸鐵鋰電池的容量特性、內(nèi)阻數(shù)值、開路電壓與環(huán)境溫度的關(guān)系，明確了磷酸鐵鋰電池的溫度特性。陳燕虹等［6］對電池組生熱和散熱溫度場進行了仿真分析，得出電池組溫度場的分布情況，對電池組散熱系統(tǒng)的設計進行了指導。劉皓等［7］通過計算流體動力學(CFD)分析軟件對電池組的風冷結(jié)構(gòu)進行仿真分析，結(jié)果表明電池組在1C充放電條件下，電池組某一測點的溫度和溫差都處于正常范圍內(nèi)。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，采用風冷散熱的方式對鋰離子電池組進行冷卻，應用仿真分析軟件FLUENT對電池組溫度場和流場進行仿真分析，研究鋰離子電池組的風冷散熱效果。

1 鋰離子電池生熱機理

鋰離子電池在進行充放電過程中，會發(fā)生鋰離子和電子的嵌入與拖嵌，鋰離子和電子運動過程中產(chǎn)生的熱量稱為反應熱Qr，鋰離子電池充電和放電過程為可逆反應，反應熱大小相等，符號相反;極化反應產(chǎn)生極化熱Qp;鋰離子電池過充過放會引起副反應，電解質(zhì)分解及自放電產(chǎn)生副反應熱Qs;電池內(nèi)阻在充放電中產(chǎn)生焦耳熱Qj。由于電池管理系統(tǒng)的作用，Qs很小，可以忽略不計［8］。當鋰離子電池溫度達到70～80℃時，反應熱Qr占電池總熱量的較大比例;當?shù)陀谏鲜鰷囟瘸浞烹姇r，焦耳熱Qj占較大比例。一般電池的正常工作溫度為－20～65℃［9］，因此鋰離子電池充放電過程中產(chǎn)生的熱量主要由極化熱和焦耳熱組成。

式中:Qtotal為鋰離子電池總的發(fā)熱量，J;Rp和Re分別為極化內(nèi)阻和電子流動過程中內(nèi)阻，Ω;Rt為電池充放電過程中總內(nèi)阻，Ω;I為電池充放電過程中電流，A。

單位體積上電池自身的發(fā)熱功率即體熱源為:

式中:V為單體電池體積，m3。

2 計算模型的建立

2.1 鋰離子電池組模型

選用某款車載鋰離子電池為研究對象進行建模，且在保證真實反映電池組內(nèi)部流場特性的前提下，對模型進行一定簡化，并且只考慮由10個單體電池組成的電池組作為研究對象。單體電池尺寸為16mm×65mm×151mm，10個電池成單排排列，電池箱模型為如圖1所示的長方箱體結(jié)構(gòu)，空氣流道布置形式及空氣流道定義等如圖2所示(假設靠近入口端空氣流道為流道1，靠近入口端電池為電池1)，電池均勻排列且間距為6mm。使用ICEM軟件對鋰離子電池組幾何模型進行網(wǎng)格劃分，對流體區(qū)域網(wǎng)格進行加密處理，生成的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖3所示，整個鋰離子電池組模型約有55萬個網(wǎng)格單元。

圖1 鋰離子電池組模型

圖2 電池箱縱斷面結(jié)構(gòu)

2.2 CFD仿真參數(shù)的設置

對鋰離子電池組風冷散熱數(shù)值仿真時，提出如下假設條件［10］:1)在整個散熱過程中，流體看作不可壓縮的理想空氣，且不考慮空氣浮力;2)鋰離子電池設定為穩(wěn)定發(fā)熱熱源，入風口為均勻進風條件;3)電池組輻射散熱影響小，不予考慮;4)流體與固體間無相對滑動，接觸面設置成發(fā)熱量為0的耦合邊界條件。此外，假設電池單體材料質(zhì)地均勻，密度和比熱容不變;在同一方向上，電池的導熱系數(shù)相等且不受SOC和溫度的影響;電池充放電時，電池內(nèi)部電流密度均勻［11－12］。電池和空氣介質(zhì)的物性參數(shù)見表1。

圖3 電池組網(wǎng)格模型

表1 介質(zhì)物性參數(shù)

仿真分析參數(shù)設定:進風口空氣溫度為25℃，入口條件為velocity－inlet，初始風速為5m/s，空氣入口端雷諾數(shù)為10 558，選用k－ε湍流模型求解;出口條件為outflow;計算域分為空氣流體域和電池固體域，采用標準壁面函數(shù)方法計算壁面與充分發(fā)展的湍流區(qū)域之間的黏性影響區(qū)域;空氣與電池表面進行流固耦合換熱，電池箱外部進行自然對流散熱，對流散熱系數(shù)為5W/(m2·K)。

2.3 CFD計算控制方程

鋰離子電池組數(shù)值仿真與模擬涉及到固體熱傳導、流體熱傳導以及流體與固體的耦合換熱，計算需要用到如下控制方程。

1)有內(nèi)熱源的電池組導熱控制方程。

式中:ρ1為電池密度;Cp為電池比熱容;T為電池溫度;t為溫度變化的時間;kx，ky，kz為電池在 x，y，z 3個方向上的熱導率;q為體熱源。

2)空氣冷卻控制方程。

包括以下3個方程:

①連續(xù)性方程。

②動量方程。

③能量方程。

式中:ρ為空氣密度;u，v，w 為速度矢量 U 在 x，y，z 3個方向上速度分量;μ為空氣的動力黏度;Su，Sv，Sw為動量守恒方程的廣義源項;k為流體的傳熱系數(shù);Cp為流體比熱容;ST為黏性耗散項。

3 仿真分析結(jié)果

3.1 風冷散熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計算與瞬態(tài)計算比較

對電池組在1C充放電倍率(對應電池組體熱源為20 000W·m－3)情況進行強制風冷散熱仿真分析。首先在FLUENT中進行穩(wěn)態(tài)計算，穩(wěn)態(tài)計算迭代監(jiān)測曲線如圖4所示，得出仿真結(jié)果在計算210步時迭代收斂，此時電池組最高溫度為33.79℃，溫差為5.48℃。之后采用瞬態(tài)計算，迭代時間設置為3 600s，時間步長為1s，瞬態(tài)計算迭代監(jiān)測曲線如圖5所示，其中第10塊電池中心點p溫度監(jiān)測曲線如圖6所示，發(fā)現(xiàn)中心點溫度在3 600s之前已經(jīng)收斂，即瞬態(tài)計算在3 600s之內(nèi)已經(jīng)計算收斂，此時電池組最高溫度為33.70℃，溫差為5.59℃。瞬態(tài)計算結(jié)果和穩(wěn)態(tài)計算相比相差不大，但由于穩(wěn)態(tài)計算占用內(nèi)存少、計算時間短、計算效率高、收斂性好，因此采用穩(wěn)態(tài)計算方式仿真分析電池組風冷散熱效果。

圖4 穩(wěn)態(tài)迭代收斂性曲線

圖5 瞬態(tài)迭代收斂性曲線

圖6 點p溫度檢測曲線

3.2 風冷散熱系統(tǒng)仿真結(jié)果

電池組溫度云圖如圖7所示，電池組最高溫度為33.79℃，溫差為5.48℃，溫度云圖顯示電池左上半部分溫度較高，與預期結(jié)果吻合。各個單體電池最高溫度和溫差曲線如圖8所示，從分析結(jié)果可知，最高溫度與溫差曲線有很高的一致性，且靠近入口端電池溫度較低，遠離入口端電池溫度較高。輸出各流道空氣流速的曲線如圖9所示，靠近入口端流道內(nèi)空氣流速較大，與電池耦合換熱帶走的熱量較多，從側(cè)面證實了靠近入口端電池溫度較低。但是總體來看各流道空氣流速相差不大，各流道較均勻的空氣流量分配使得各單體電池溫度均勻性較好，電池組最高溫度和溫差基本都處于正常工作范圍內(nèi)，即強制風冷散熱系統(tǒng)可以滿足電池組散熱要求。

圖7 電池組溫度云圖

圖8 各單體電池溫度監(jiān)測曲線

圖9 各流道空氣流速監(jiān)測曲線

3.3 進風口空氣流速的影響

空氣掠過平板強制對流換熱系數(shù)h為:

式中:Nu為努塞爾數(shù);Re為雷諾數(shù);Pr為普朗特數(shù);λ為流體熱導率;l為定型尺寸;ρ為流體密度;v為流體流速;L為特征長度;u為流體黏度;m，a，b為流動狀態(tài)相關(guān)系數(shù)。

空氣掠過平板時，流體處于湍流狀態(tài)，此時系數(shù)a=0.8 ＜ 1，則h∝v0.8，即強制對流換熱系數(shù)h隨著流速v增大而增大，但是增大的幅度在不斷減小。

進風口空氣流速分別選取5m/s、10m/s、20m/s、30m/s和40m/s并建立相應仿真模型進行數(shù)值計算，電池組最高溫度和溫差與進風流速關(guān)系曲線如圖10、圖11所示。由曲線可知，隨著進風流速的增大，電池組最高溫度和溫差都在持續(xù)降低，電池組散熱效果越來越好。

圖10 不同進風流速下各單體電池最高溫度曲線

圖11 不同進風流速下各單體電池溫差曲線

電池組散熱效果提升率曲線如圖12所示。由圖12可知，當流速低于20m/s時，電池組的散熱效果隨著流速的增大顯著增強;當流速高于20m/s后，流速的增大對電池組的散熱效果的提升率的影響越來越小。該仿真結(jié)果與式(9)得出的理論結(jié)果相吻合，符合真實性。

圖12 電池組散熱效果提升率曲線

雖然在空氣流速足夠大時，可以將電池充放電過程中產(chǎn)生的熱量有效地散出，但在實際應用中，由于空氣流速的增大，電池組散熱效果提升率越來越小，電池管理系統(tǒng)效率越來越低，同時還提高了系統(tǒng)的能耗并增大了噪聲。因此在保證電池組良好散熱的條件下，將進風口空氣流速限定在一定范圍內(nèi)很有必要。

3.4 環(huán)境溫度的影響

電池組在充放電過程中，環(huán)境溫度的變化也會對電池組風冷散熱效果產(chǎn)生影響。當電池箱外環(huán)境溫度在－10～40℃之間變化時，電池組的最高溫度和溫差的變化曲線如圖13所示。由圖可知，環(huán)境溫度越低，電池組散熱效果越好，電池組最高溫度越低、溫差越小，與預測結(jié)果相符。

圖13 不同環(huán)境下最高溫度與溫差變化曲線

4 結(jié)束語

本文以計算流體動力學方法對鋰離子電池組風冷散熱結(jié)構(gòu)進行建模和數(shù)值仿真分析。仿真結(jié)果表明進風口風速與環(huán)境溫度對電池組散熱效果影響顯著，變化趨勢與理論結(jié)果相一致，對風冷散熱結(jié)構(gòu)設計有一定指導作用;但同時也有一定局限性，需要相關(guān)實驗驗證仿真結(jié)果的準確性。因而將在后續(xù)工作中盡可能地搭建風冷散熱平臺，以進一步完善風冷散熱結(jié)構(gòu)的研究設計。

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